CN110147120A - 一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法，在故障舵面仍具有一定程度可控性的情况下，考虑故障诊断的完备性能够得到保证，即已经掌握故障舵面对各自由度控制输入所造成的影响，基于控制输入方程，研究受影响自由度所对应舵面的控制输入设计。通过调节执行机构的控制输入，从而实现主动容错控制。

Description

一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种自主水下航行器舵面容错控制方法。

背景技术

水下航行器如今已被较为广泛地应用于科学、军事和商业等领域，如水下设施维护、海洋科学考察、水下搜救和海洋战争等。然而，由于水下环境复杂多变和水中通讯受限等原因，造成水下航行器在执行任务的过程中容易发生各种故障，如传感器失灵、推进器损坏和鳍舵变形等，严重阻碍了水下航行器的应用与推广。据此引入故障诊断和容错控制技术，当航行器发生故障时，应当及时诊断出故障信息，以尽最大可能降低故障带来的危害。现有研究的故障调节或者控制重构均只考虑调整故障舵面所对应自由度的控制输入，却忽略了故障对其它自由度控制输入所造成的影响，造成容错控制设计不够全面。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自主水下航行器舵面容错控制方法。

技术方案

一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：判断舵面是否发生故障并且判断故障是否造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变；

步骤2：若故障没有造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，通过故障调节对发生故障的舵面设计容错控制输入：

式中，为加性故障描述因子，运动控制***为舵面i提供的期望输入；

若故障造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，需将故障影响进行相应的转换之后再进行容错控制设计；

步骤3：计算俯仰力矩因数对横舵角δ_e的位置导数与偏航力矩因数对垂舵角δ_r的位置导数为：

式中，与分别为横舵和垂舵到浮心的距离与回转体自主水下航行器总长度L之比；

步骤4：由故障产生的附加故障推力绕相应载体坐标轴转动将产生故障力矩，可近似获得：

其中，分别为故障产生的Y方向与Z方向的附加故障推力；

步骤5：进行容错控制，进行容错补偿，分别计算推力T、横舵角δ_e、垂舵角δ_r、差动舵角δ_d以及垂舵、差动舵和形变横舵在横滚运动中产生的合力矩K：

式中：为期望横舵角；为期望垂舵角；为期望差动舵角；T^*为期望推力；ρ为水的密度；为舵的转速；S为舵的面积；

步骤6：根据步骤5设计的控制输入，即可实现舵面容错控制。

有益效果

本发明在故障舵面仍具有一定程度可控性的情况下，考虑故障舵面对各自由度控制输入所造成的影响，通过控制输入方程，设计出受影响自由度所对应舵面的控制输入，将故障舵面的使命分配给冗余执行机构(组合)。在不更换故障舵面的前提下，有效地对其进行容错控制。并且考虑了其他自由度对舵面的影响，更高效地进行主动容错控制。

附图说明

图1为右横舵面向下小角度变形故障图；

图2不同情形下的输出推力与横舵角对比；

图3不同情形下的垂舵角与差动舵角对比；

图4不同情形下的深度和前向速度对比；

图5不同情形下的偏航角和横滚角对比。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明在故障舵面仍具有一定程度可控性的情况下，考虑故障诊断的完备性能够得到保证，即已经掌握故障舵面对各自由度控制输入所造成的影响，基于控制输入方程，研究受影响自由度所对应舵面的控制输入设计。通过调节执行机构的控制输入，从而实现主动容错控制。具体步骤如下：

步骤一：判断舵面是否发生故障并且判断故障是否造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变。

步骤二：若故障没有造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变。可通过故障调节对发生故障的舵面设计容错控制输入。

式中为加性故障描述因子，运动控制***为舵面i提供的期望输入。

若故障造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，需将故障影响进行相应的转换之后再进行容错控制设计。

步骤三：计算俯仰力矩因数对δ_e的位置导数与偏航力矩因数对δ_r的位置导数为：

式中与分别为横舵和垂舵到浮心的距离与回转体自主水下航行器总长度L之比。

步骤四：由故障产生的附加故障推力绕相应载体坐标轴转动将产生故障力矩，可近似获得：

步骤五：进行容错控制，进行容错补偿，分别计算推力、横舵角、垂舵角、差动舵角以及垂舵、差动舵和形变横舵在横滚运动中产生的合力矩

式中：为期望横舵角；：为期望垂舵角；为期望差动舵角；T^*为期望推力；ρ为水的密度；为舵的转速；S为舵的面积。

步骤六：根据步骤5设计的控制输入，即可实现舵面容错控制。

本实例假设回转体式水下航行器在理想流体中执行固定航向的定深航巧。设置右横舵面在77s时发生向下弯曲的形变故障，取l_e＝0.3m，γ_e＝0.52rad和γ_e＝1.05rad，如图1所示。

步骤一：根据现有的方法，判断舵面是否发生故障并且判断故障是否造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变。

步骤二：通过故障调节对发生故障的舵面设计容错控制输入。

步骤三：回转体自主水下航行器舵面形变故障，右横舵面产生的向下小角度变形将在航行器的6个自由度上分别产生和其中对应x_B轴的运动受螺旋桨的控制，和所对应自由度的运动受垂舵面的控制。故在横舵面发生形变故障时，需将故障影响进行相应的转换之后再进行容错控制设计。因回转体自主水下航行器为回转体外形，可得

步骤四：由故障产生的附加故障推力绕相应载体坐标轴转动将产生故障力矩，可近似获得：

步骤五：在进行容错控制设计时舵面故障在x_B轴向产生的附加故障推力可通过控制螺旋桨的推力进行容错补偿，即

步骤六：对于横舵面所对应自由度上运动的控制，因的存在，可根据步骤二设计容错控制的横舵角：

如图2中实线所示的容错螺旋桨推力与横舵角控制输入。图中的点划线与双短线分别表示右横舵面故障却无主动容错控制和舵面故障情况下的控制输入。

步骤七：对于垂舵面所对应自由度上运动的控制，由于的存在，可根据步骤二设计容错控制的垂舵角：

步骤八：横滚运动受垂舵与差动舵控制，上文在设计故障调节垂舵角时，在横滚运动中引入了额外的力矩，使得差动舵角的设计既需要补偿因横舵面形变故障而产生的也需要补偿因调节垂舵而引入的附加力矩。为对横滚运动中的进行补偿，据步骤二可设计差动舵角：

对垂舵角额外引入力矩的补偿，可设计

步骤九：根据步骤八可得差动舵角：

如图3中实线所示的容错垂舵与差动舵角控制输入。图中的点划线与双短线分别表示右横舵面故障却无主动容错控制和舵面故障情况下的控制输入。

步骤十：采用以上设计的垂舵角和差动舵角，可得垂舵、差动舵和形变横舵在横滚运动中产生的合力矩：

步骤十一：设计右横舵面发生形变故障的回转体自主水下航行器执行定向定深航行，其航行深度、前向速度、偏航角以及横滚角的变化情况如图4与5所示。图4显示了回转体自主水下航行器分别在正常情况、被动容错控制和故障调节主动容错控制作用下，航行深度随时间的变化曲线。从图中可见，故障调节主动容错控制较被动容错控制能够更好地控制回转体自主水下航行器的深度，表明在被动容错控制设计的基础上，故障调节进一步提高了控制的效果，验证了容错控制方法的有效性。

Claims (1)

1.一种自主水下航行器舵面主动容错控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：判断舵面是否发生故障并且判断故障是否造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变；

步骤2：若故障没有造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，通过故障调节对发生故障的舵面设计容错控制输入：

式中，为加性故障描述因子，运动控制***为舵面i提供的期望输入；

若故障造成其它运动自由度上的模型控制输入发生改变，需将故障影响进行相应的转换之后再进行容错控制设计；

步骤3：计算俯仰力矩因数对横舵角δ_e的位置导数与偏航力矩因数对垂舵角δ_r的位置导数为：

式中，与分别为横舵和垂舵到浮心的距离与回转体自主水下航行器总长度L之比；

步骤4：由故障产生的附加故障推力绕相应载体坐标轴转动将产生故障力矩，可近似获得：

其中，分别为故障产生的Y方向与Z方向的附加故障推力；

步骤5：进行容错控制，进行容错补偿，分别计算推力T、横舵角δ_e、垂舵角δ_r、差动舵角δ_d以及垂舵、差动舵和形变横舵在横滚运动中产生的合力矩K：

式中：为期望横舵角；为期望垂舵角；为期望差动舵角；T^*为期望推力；ρ为水的密度；为舵的转速；S为舵的面积；

步骤6：根据步骤5设计的控制输入，即可实现舵面容错控制。